(57)【要約】【課題】  散乱光を用いて固体レーザ発振器内の光学素子の端面もしくは内部に生じたダメージを検知することが可能な光学素子のダメージ検知方法を提供する。【解決手段】  固体レーザ発振器内の任意の光学素子端面のダメージを検知する光学素子のダメージ検知方法であって、固体レーザ発振器内のダメージ検知対象である光学素子の端面からの散乱光を検知するための散乱光検知ステップと、散乱光検知ステップで検知した散乱光を信号に変換する信号変換ステップと、散乱光から変換された信号を、予め設定した設定値と比較する比較ステップと、散乱光から変換された信号が設定値を上回っていた場合に、アラーム信号を発するアラーム信号生成ステップとを有する。【選択図】  図５
2010219164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザ発振器内の任意の光学素子端面のダメージを検知する光学素子のダメージ検知方法であって、
前記固体レーザ発振器内のダメージ検知対象である光学素子の端面からの散乱光を検知するための散乱光検知ステップと、
前記散乱光検知ステップで検知した散乱光を信号に変換する信号変換ステップと、
前記散乱光から変換された信号を、予め設定した設定値と比較する比較ステップと、
前記散乱光から変換された信号が設定値を上回っていた場合に、アラーム信号を発するアラーム信号生成ステップと、
を有することを特徴とする、光学素子のダメージ検知方法。
【請求項２】
前記散乱光検知ステップは、前記散乱光を集光させるための集光ステップに次いで実行される、ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子のダメージ検知方法。
【請求項３】
前記ダメージ検知対象である光学素子が含まれる固体レーザ発振器は、発振器内に波長変換素子を含む内部波長変換方式の固体レーザ発振器であり、
前記散乱光検知ステップで検知した散乱光を波長毎に分光するための分光ステップを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子のダメージ検知方法。
【請求項４】
前記ダメージ検知対象である光学素子が含まれる固体レーザ発振器は、発振器内に波長変換素子を含んでおらず、且つ、外部レーザ光源で固体レーザ発振器内のレーザ光源よりも短波長のレーザ光を導入した固体レーザ発振器であり、
前記散乱光検知ステップで検知した散乱光を波長毎に分光するための分光ステップを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子のダメージ検知方法。
【請求項５】
固体レーザ発振器内の任意の光学素子端面のダメージを検知する光学素子のダメージ検知装置であって、
前記ダメージ検知装置は、
前記固体レーザ発振器内のダメージ検知対象である光学素子の端面からの散乱光を検知するための散乱光検知手段と、
前記散乱光検知手段で検知した散乱光を信号に変換する信号変換手段と、
前記散乱光から変換された信号を、予め設定した設定値と比較する比較手段と、
前記散乱光から変換された信号が設定値を上回っていた場合に、アラーム信号を発するアラーム信号生成手段と、
を具備することを特徴とする、光学素子のダメージ検知装置。
【請求項６】
前記散乱光検知手段に散乱光を集光させるための集光手段を具備する、ことを特徴とする請求項５に記載の光学素子のダメージ検知装置。
【請求項７】
前記ダメージ検知対象である光学素子が含まれる固体レーザ発振器は、発振器内に波長変換素子を含む内部波長変換方式の固体レーザ発振器であり、
前記散乱光検知手段で検知した散乱光を波長毎に分光するための分光手段を具備する、
ことを特徴とする請求項５に記載の光学素子のダメージ検知装置。
【請求項８】
前記ダメージ検知対象である光学素子が含まれる固体レーザ発振器は、発振器内に波長変換素子を含んでおらず、且つ、外部レーザ光源で固体レーザ発振器内のレーザ光源よりも短波長のレーザ光を導入した固体レーザ発振器であり、
前記散乱光検知手段で検知した散乱光を波長毎に分光するための分光手段を具備する、
ことを特徴とする請求項５に記載の光学素子のダメージ検知装置。
【請求項９】
固体レーザ発振器内の任意の光学素子端面のダメージを検知するダメージ検知機能を有する固体レーザ発振器であって、
前記ダメージ検知対象である光学素子の端面からの散乱光を検知するための散乱光検知手段と、
前記散乱光検知手段で検知した散乱光を信号に変換する信号変換手段と、
前記散乱光から変換された信号を、予め設定した設定値と比較する比較手段と、
前記散乱光から変換された信号が設定値を上回っていた場合に、アラーム信号を発するアラーム信号生成手段と、
を具備することを特徴とする、ダメージ検知機能を有する固体レーザ発振器。
【請求項１０】
前記散乱光検知手段に散乱光を集光させるための集光手段を具備する、ことを特徴とする請求項９に記載のダメージ検知機能を有する固体レーザ発振器。
【請求項１１】
前記固体レーザ発振器は、発振器内に波長変換素子を含む内部波長変換方式の固体レーザ発振器であり、更に、
前記散乱光検知手段で検知した散乱光を波長毎に分光するための分光手段を具備する、
ことを特徴とする請求項９に記載のダメージ検知機能を有する固体レーザ発振器。
【請求項１２】
前記固体レーザ発振器は、発振器内に波長変換素子を含んでおらず、且つ、外部レーザ光源で固体レーザ発振器内のレーザ光源よりも短波長のレーザ光を導入した固体レーザ発振器であり、更に、
前記散乱光検知手段で検知した散乱光を波長毎に分光するための分光手段を具備する、
ことを特徴とする請求項９に記載のダメージ検知機能を有する固体レーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学素子のダメージ検知方法に係り、特に、固体レーザ発振器内の光学素子のダメージ検知に適した光学素子のダメージ検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従前より様々な物品の加工に用いる固体レーザ発振器は広く普及しており、このような固体レーザ発振器で用いるレーザとしては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等が知られている。この種の固体レーザ発振器には、レーザロッド、ミラー、波長変換素子、変調素子、スイッチング素子、偏光素子等の各種光学素子が使われており、固体レーザ発振器の稼働時間が長くなるにつれて各種光学素子の内部や表面のコーティング膜へのダメージは積み重なり、これらのダメージに対処せずに固体レーザ発振器を使い続けた場合には、光学素子に修復不可能な損傷が生じ、破損する場合もある。ここで、光学素子端面に設けられるコーティング膜としては、誘電体多層膜による全反射膜、部分反射膜、無反射膜などが知られており、用途に応じて様々なコーティング膜が設けられる。
【０００３】
ここで、固体レーザ発振器を稼働することにより光学素子にダメージが蓄積する仕組みを図１２，１３を参照しつつ説明する。粉塵存在下において光学素子がダメージを被ることの説明図が図１２に示されている。同図において、１１は光学素子の基板、１２はコーティング膜、１３はレーザ光、１４は光学素子表面に焼き付けられた粉塵（ダスト）による粉塵層、１５は粉塵（ダスト）、である。
【０００４】
光学素子が粉塵雰囲気中にあると、塵や埃などの粉塵１５が光学素子表面に設けられたコーティング膜１２に静電的に吸着されて付着し、この状態でレーザ照射が行われることによりコーティング膜１２に付着した粉塵１５に高強度のレーザ光１３が照射されてコーティング膜１２に粉塵１５が焼き付けられる。この光学素子表面に焼き付けられた粉塵層１４により、レーザ光の出力が妨げられ、結果としてレーザ光の出力が低下する。
【０００５】
粉塵１５がコーティング膜１２に付着してレーザ光１３により焼き付けられるという流れ（過程）を繰り返すことによりコーティング膜１２上の粉塵層１４はどんどん分厚くなっていく。更に、この粉塵層１４が照射されたレーザ光を吸収することでコーティング膜１２表面の温度が上昇していき、最終的にはコーティング膜１２の融解温度に達することでコーティング膜１２が溶融したり、場合によっては基板１１にも傷が付くなどして光学素子に深刻なダメージを与えることとなる。
【０００６】
次いで、有機ガス雰囲気中において光学素子がダメージを被ることの説明図が図１３に示されている。同図において、１６はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）層、１７は有機ガス分子、その他の符号は図１２と同様である。
【０００７】
有機ガス雰囲気中やシリコンの混合した大気雰囲気中にある光学素子にレーザ光１３が照射されると、コーティング膜１２表面のレーザ光１３が照射された箇所に炭化物やシロキ酸などが堆積し、ＣＶＤ層１６が形成される。ＣＶＤ層１６はレーザ光１３の照射時間に比例してどんどん堆積し分厚くなり、このＣＶＤ層により、レーザ光の出力が妨げられ、結果としてレーザ光の出力が低下する。
【０００８】
このＣＶＤ層１６が照射されたレーザ光を吸収することでコーティング膜１２表面の温度が上昇していき、最終的にはコーティング膜１２の融解温度に達することでコーティング膜１２が溶融したり、場合によっては基板１１にも傷が付くなどして光学素子に深刻なダメージを与えることとなる。
【０００９】
このように、光学素子表面の粉塵層やＣＶＤ層を放置することで堆積が進行し、光学素子の基板やコーティング膜に深刻なダメージが生じる場合がある。光学素子の基板に傷が付いたりコーティング膜が溶融したりすると、光学素子自体を交換するしかリカバリ方法がなくなり、損傷した光学素子の交換とその後の調整とでラインを停止せざるを得なくなる。
【００１０】
そのため、粉塵層やＣＶＤ層の堆積が進行せず、光学素子のダメージが少ないうちに対応することが望ましく、ダメージが軽微なうちであれば光学素子表面を拭うなどの簡単な対処で済む可能性もあり、結果として光学素子自体の寿命も長くなる可能性がある。各光学素子の端面の粉塵層やＣＶＤ層が分厚くなることでレーザ発振器の出力低下にも繋がり、この点からも早期の対応が望まれる。従来より知られている光学素子のダメージ検出方法としては、レーザ光の出力をパワーモニタで測定し、この実測値に基づきレーザ光の出力低下を把握して光学素子のダメージの程度を予測するという方法や、光学素子端面付近の音を測定し、ダメージの度合いを予測する方法などがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−１１８６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、これらの従来のダメージ検知方法は、光学素子のダメージを検知するのに最適な方法とは言えなかった。本願発明者らは光学素子のダメージ検出方法を鋭意研究し、光学素子端面のダメージ増加と、光学素子端面付近で測定される散乱光の強度とに相関があることを知見した。
【００１３】
レーザ発振器の光学素子の端面に塵等が付着すると、付着していないときと比較してこれらの散乱が増大するので、この散乱光を適当なセンサで受光することにより、付着した塵等を検知可能であると推測される。
【００１４】
光学素子の劣化と散乱光の強度との相関性が、図１４に示されている。同図において、１１は光学素子の基板、１２は光学素子端面のコーティング膜、１８は堆積層（軽度）、１９は堆積層（重度）、２０はコーティング膜の破壊箇所、である。ここで「堆積層」とは、塵や埃等が付着した際に生じる粉塵層と、有機ガス等にレーザが照射されたことにより生じるＣＶＤ層とを総括する表現である。
【００１５】
図１４上段の（ａ）〜（ｄ）には光学素子端面の経時変化が示されている。図１４（ａ）は光学素子の初期状態であり、基板１１の端面に設けられたコーティング膜１２上には塵や埃の付着、ＣＶＤ層の堆積も生じておらず、ダメージが発生してない状態である。この状態ではコーティング膜表面には堆積物が存在しないため、光学素子端面の塵やＣＶＤ層などにレーザ光が当たることで発生する散乱光は少なく、レーザ光の出力低下も起きていない。
【００１６】
次いで、図１４（ｂ）には、コーティング膜１２上に軽度の堆積層１８が生じた状態が示されている。この状態では、コーティング膜１２表面の軽度の堆積層１８により、図１４（ａ）の状態よりは散乱光の強度が増しているものの、レーザ光の出力はそれほど低下しておらず、堆積層１８の付着・堆積度合いも比較的軽度であるため、拭き取るなどの方法で対処出来る可能性がある。
【００１７】
次いで、図１４（ｃ）には、コーティング膜１２上に重度の堆積層１９が生じた状態が示されている。この状態では、コーティング膜１２表面の堆積層１９は厚みを増しており、散乱光の増加とレーザ光の出力低下は一層進んでおり、劣化のスピードが（加速度的に）増している。この段階まで来ると、堆積物１９の付着・堆積度合いがかなり重度になっており、場合によっては部品交換等の必要性が生じる場合もある。
【００１８】
図１４（ｄ）には、コーティング膜１２の一部が剥離した状態が示されている。図１４（ｃ）より更にダメージが進行すると、コーティング膜１２上の堆積層がレーザを吸収して温度上昇し、ついにはコーティング膜１２の融点乃至昇華点に達することで光学素子端面のコーティング膜１２や基板１１の破壊に繋がる（符号２０参照）。この段階まで至ると、部品交換を行う以外での対処はほぼ不可能となる。
【００１９】
図１４下段のグラフには、光学素子端面より生じる散乱光の経時変化が示されている。光学素子のダメージは経時的に増加するものであるが、この増加は直線的なものではなく、初めのうちは比較的ゆっくりとダメージが進行し（図１４（ａ）〜（ｂ））、時間が経つにつれて徐々に加速度的にダメージが進行し（図１４（ｂ）〜（ｃ））、ある閾値を超えると一挙にコーティング膜が破壊される（図１４（ｃ）〜（ｄ）、グラフ中点線）。同図からも明らかなように、光学素子端面のダメージ増加と比例するように、光学素子端面付近で測定される散乱光の強度も増すことがわかった。これは、レーザ光が光学素子端面の堆積層を透過・反射する際に散乱光が生じるためであると思われる。本願発明者らはこの点に着目し、散乱光の散乱強度を検知することで光学素子のダメージの度合いを把握できる可能性に思い至った。
【００２０】
本願はこのような点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、散乱光を用いて固体レーザ発振器内の光学素子の端面もしくは内部に生じたダメージを検知することが可能な光学素子のダメージ検知方法を提供することにある。
【００２１】
本願の他の目的とするところは、光学素子のダメージが軽度なうちであっても検知可能な光学素子のダメージ検知方法を提供することにある。
【００２２】
本願の他の目的とするところは、検出精度の高い光学素子のダメージ検知方法を提供することにある。
【００２３】
本願の他の目的とするところは、散乱光を用いて固体レーザ発振器内の光学素子の端面もしくは内部に生じたダメージを検知することが可能な光学素子のダメージ検知装置を提供することにある。
【００２４】
本願の更に他の目的とするところは、散乱光を用いて光学素子の端面もしくは内部に生じたダメージを検知することが可能な、ダメージ検知機能を有する固体レーザ発振器を提供することにある。
【００２５】
本発明の他の目的並びに作用効果については、明細書の以下の記述を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記の目的を達成するために、本願に係る光学素子のダメージ検知方法は、固体レーザ発振器内の任意の光学素子端面のダメージを検知するためのものである。
【００２７】
本願に係る光学素子のダメージ検知方法は、固体レーザ発振器内のダメージ検知対象である光学素子の端面からの散乱光を検知するための散乱光検知ステップと、散乱光検知ステップで検知した散乱光を信号に変換する信号変換ステップと、散乱光から変換された信号を、予め設定した設定値と比較する比較ステップと、散乱光から変換された信号が設定値を上回っていた場合に、アラーム信号を発するアラーム信号生成ステップとを有する。
【００２８】
ここで、散乱光の検知は、検知対象となる光学素子の一方の端面についてのみ行っても良いし、両端面について行っても良い。また、一つの固体レーザ発振器内において、複数の光学素子のダメージを検知するように構成してもよい。
【００２９】
ここで、「光学素子」とは、レーザ発振器に用いる各種光学部品のことであり、例えば、レーザロッド、全反射ミラー、部分透過ミラー、波長選択ミラー、波長変換素子、変調素子、スイッチング素子、偏光素子、プリズム、アッテネータ素子などが含まれる。
【００３０】
そして、このような構成によれば、ダメージ検知対象となる光学素子から発生する散乱光をモニタリングすることで、対象となる光学素子のダメージの度合いを把握することが可能となる。なお、本願によれば、光学素子端面のコーティング膜上の堆積物に起因する散乱光のみならず、光学素子内に生じた微細な傷や泡等に起因する散乱光もモニタすることができる。
【００３１】
本願の好ましい実施の形態においては、前記散乱光検知ステップは、前記散乱光を集光させるための集光ステップに次いで実行されることが望ましい。
【００３２】
このような構成によれば、固体レーザ発振器の至近には、散乱光の集光を行うための集光手段のみ設置すればよく、散乱光の検知を行うためのセンサ等は固体レーザ発振器からある程度距離を離して設置することが可能となる。このため、小型のレーザ発振器にも適用しやすくなり、また、散乱光を集光した上で散乱光の検知が行われるため、検知できる散乱光が多くなり、散乱光の検出感度も上昇する。
【００３３】
本願の好ましい実施の形態においては、前記ダメージ検知対象である光学素子が含まれる固体レーザ発振器は、発振器内に波長変換素子を含む内部波長変換方式の固体レーザ発振器であり、前記散乱光検知ステップで検知した散乱光を波長毎に分光するための分光ステップを有するものであってもよい。
【００３４】
このような構成によれば、内部波長変換方式の固体レーザ発振器にも適用可能となり、また、散乱光を分光して波長毎に設定値との比較を行うことにより、様々な角度から検知対象となる光学素子のダメージの度合いを推し量ることが可能となる。加えて、第２高調波レーザ光、第３高調波レーザ光等の波長の短いレーザ光が固体レーザ発振器に導入されることにより、基本波レーザ光のみを用いた場合よりも、散乱光の検出精度が向上するものである。
【００３５】
本願の好ましい実施の形態においては、前記ダメージ検知対象である光学素子が含まれる固体レーザ発振器は、発振器内に波長変換素子を含んでおらず、且つ、外部レーザ光源で固体レーザ発振器内のレーザ光源よりも短波長のレーザ光を導入した固体レーザ発振器であり、前記散乱光検知ステップで検知した散乱光を波長毎に分光するための分光ステップを有するものであってもよい。
【００３６】
このような構成によれば、外部レーザ光源を用いて波長の短いレーザ光を導入することにより、高出力用レーザ発振器などの波長変換素子を含まない固体レーザ発振器であっても、波長変換素子で高調波を導入した場合と同様に散乱光の検出精度を向上させることが可能となる。
【００３７】
別の一面から見た本願発明は、光学素子のダメージ検知装置として捉えることもできる。本願に係る光学素子のダメージ検知装置は、固体レーザ発振器内の任意の光学素子端面のダメージを検知するものである。
【００３８】
ダメージ検知装置は、固体レーザ発振器内のダメージ検知対象である光学素子の端面からの散乱光を検知するための散乱光検知手段と、散乱光検知手段で検知した散乱光を信号に変換する信号変換手段と、散乱光から変換された信号を、予め設定した設定値と比較する比較手段と、散乱光から変換された信号が設定値を上回っていた場合に、アラーム信号を発するアラーム信号生成手段とを具備する。
【００３９】
ここで散乱光検知手段としては、一般に知られた様々なセンサを用いることが出来るが、本願のダメージ検知装置は固体レーザ発振器の近傍に設置されることが前提であるため、ファイバセンサなどの小型のセンサが望ましい。
【００４０】
このような構成によれば、固体レーザ発振器の近傍に設置することで、ダメージ検知対象となる光学素子から発生する散乱光をモニタリングし、対象となる光学素子のダメージの度合いを把握することが可能なダメージ検知装置が得られる。
【００４１】
本願の好ましい実施の形態においては、前記散乱光検知手段に散乱光を集光させるための集光手段を具備するものであってもよい。ここで、集光手段としては、集光レンズ、屈折率分布型レンズなど、この種の固体レーザ発振器によって用いられる様々な集光手段を用いることが可能である。なお、屈折率分布型レンズとしては、セルフォック・レンズ（セルフォックは登録商標である）などが知られている。
【００４２】
また、本願の好ましい実施の形態においては、前記ダメージ検知対象である光学素子が含まれる固体レーザ発振器は、発振器内に波長変換素子を含む内部波長変換方式の固体レーザ発振器であり、前記散乱光検知手段で検知した散乱光を波長毎に分光するための分光手段を具備するものであってもよい。
【００４３】
また、本願の好ましい実施の形態においては、前記ダメージ検知対象である光学素子が含まれる固体レーザ発振器は、発振器内に波長変換素子を含んでおらず、且つ、外部レーザ光源で固体レーザ発振器内のレーザ光源よりも短波長のレーザ光を導入した固体レーザ発振器であり、前記散乱光検知手段で検知した散乱光を波長毎に分光するための分光手段を具備するものであってもよい。
【００４４】
更に別の一面から見た本願発明は、ダメージ検知機能を有する固体レーザ発振器として捉えることもできる。本願に係るダメージ検知機能を有する固体レーザ発振器は、固体レーザ発振器内の任意の光学素子端面のダメージを検知するためのものである。
【００４５】
ここで、本願のダメージ検知機能を有する固体レーザ発振器は、ダメージ検知対象である光学素子の端面からの散乱光を検知するための散乱光検知手段と、散乱光検知手段で検知した散乱光を信号に変換する信号変換手段と、散乱光から変換された信号を、予め設定した設定値と比較する比較手段と、散乱光から変換された信号が設定値を上回っていた場合に、アラーム信号を発するアラーム信号生成手段とを具備する。
【００４６】
このような構成によれば、光学素子から発生する散乱光をモニタリングすることで、対象となる光学素子のダメージの度合いを把握することが可能なダメージ検知機能を有する固体レーザ発振器が得られる。
【００４７】
本願の好ましい実施の形態においては、前記散乱光検知手段に散乱光を集光させるための集光手段を具備するものであってもよい。
【００４８】
また、本願の好ましい実施の形態においては、前記固体レーザ発振器は、発振器内に波長変換素子を含む内部波長変換方式の固体レーザ発振器であり、更に、前記散乱光検知手段で検知した散乱光を波長毎に分光するための分光手段を具備するものであってもよい。
【００４９】
また、本願の好ましい実施の形態においては、前記固体レーザ発振器は、発振器内に波長変換素子を含んでおらず、且つ、外部レーザ光源で固体レーザ発振器内のレーザ光源よりも短波長のレーザ光を導入した固体レーザ発振器であり、更に、前記散乱光検知手段で検知した散乱光を波長毎に分光するための分光手段を具備するものであってもよい。
【発明の効果】
【００５０】
以上述べたように、本願に係る光学素子のダメージ検知方法によれば、ダメージ検知対象となる光学素子から発生する散乱光をモニタリングすることで、対象となる光学素子のダメージの度合いを把握することが可能となる。なお、本願によれば、光学素子端面のコーティング膜上の堆積物に起因する散乱光のみならず、光学素子内に生じた微細な傷や泡等に起因する散乱光もモニタすることができる。
【００５１】
また、集光手段を用いれば、光学素子の至近に設置するのは集光手段のみでよく、散乱光の検知を行うためのセンサ等は固体レーザ発振器からある程度距離を離して設置することが可能となる。このため、小型のレーザ発振器にも適用しやすくなり、また、散乱光を集光した上で散乱光の検知が行われるため、検知できる散乱光が多くなり、散乱光の検出感度も上昇する。
【００５２】
また、本願に係る光学素子のダメージ検知方法を、内部波長変換方式の固体レーザ発振器に適用すれば、散乱光を分光して波長毎に設定値との比較を行うことにより、様々な角度から検知対象となる光学素子のダメージの度合いを推し量ることが可能となる。加えて、第２高調波レーザ光、第３高調波レーザ光等の波長の短いレーザ光が固体レーザ発振器に導入されることにより、基本波レーザ光のみを用いた場合よりも、散乱光の検出精度が向上するものである。
【００５３】
また、本願に係る光学素子のダメージ検知方法を、外部レーザ光源を用いて波長の短いレーザ光を導入する固体レーザ発振器に適用すれば、高出力用レーザ発振器などの波長変換素子を含まない固体レーザ発振器であっても、波長変換素子で高調波を導入した場合と同様に散乱光の検出精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第１の実施形態を示す図である。
【図２】第１の実施形態におけるダメージ検出制御回路の一例を示す図である。
【図３】本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第２の実施形態を示す図である。
【図４】本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第３の実施形態を示す図である。
【図５】本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第４の実施形態を示す図である。
【図６】第４の実施形態におけるダメージ検出制御回路の一例を示す図である。
【図７】本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第５の実施形態を示す図である。
【図８】第５の実施形態における分光手段の一例を示す図である。
【図９】レーザ光の波長と散乱光の種類による散乱光の発生比率を示す図表である。
【図１０】本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第６の実施形態を示す図である。
【図１１】本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第７の実施形態を示す図である。
【図１２】粉塵存在下における光学素子のダメージの説明図である。
【図１３】有機ガス雰囲気中における光学素子のダメージの説明図である。
【図１４】光学素子の劣化と散乱強度との相関性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
以下において、この発明に係るダメージ検知方法の実施の一形態を添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述で限定されるものではない。
【００５６】
本発明のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第１の実施形態が図１に示されている。同図において、１００はレーザ発振器、１０１はレーザロッド、１０１１はレーザロッド１０１の一方の端面、１０１２はレーザロッド１０１のもう一方の端面、１０２は出力鏡、１０３は全反射鏡、１０４は光軸、１０５はファイバセンサである。本願においては、これら光学系に用いる全ての素子を総称して光学素子と称している。
【００５７】
レーザロッド１０１は、光源（図示せず）を用いて励起させることで端面１０１１，１０１２より材質に依存した波長のレーザ光を発するレーザ媒質であり、Ｎｄ：ＹＡＧ、ＹＡＧ、ルビーなどが知られている。以下においては、レーザロッド１０１として最も一般的とされるＮｄ：ＹＡＧロッド（波長：１０６４ｎｍ）を用いた場合の例を説明する。
【００５８】
出力鏡１０２は、レーザ発振器１００の外にレーザ光を取り出すためのミラーであり、外に取り出すレーザ光を透過するためのコーティング膜が表面に設けられている。この例では、レーザロッド１０１としてＮｄ：ＹＡＧロッドを用いているため、出力鏡１０２には波長１０６４ｎｍのレーザ光を透過するためのコーティング膜が設けられている。
【００５９】
反射鏡１０３は、レーザ発振器１００内のレーザ光を折り返すために設けられたミラーであり、レーザ発振器１００内のレーザ光を反射するためのコーティング膜が表面に設けられている。この例では、レーザロッド１０１としてＮｄ：ＹＡＧロッドを用いているため、反射鏡１０３には波長１０６４ｎｍのレーザ光を反射するためのコーティング膜が設けられている。
【００６０】
ファイバセンサ１０５は、モニタ対象となる光学素子端面の堆積層による散乱光を、後述のダメージ検出制御回路に導入するために設けられている。ファイバセンサ１０５は散乱光を導くことが目的であるため、ｍｍ単位の太いコア径を有するものを用いることが好ましい。散乱光自体はそれほど大きな出力ではないため、コア／クラッド構造を有する光学ガラスファイバではなく散乱光の波長を低損失で通す樹脂ファイバを用いても良い。
【００６１】
レーザ発振器１００は、レーザロッド１０１、出力鏡１０２、反射鏡１０３とからなる連続共振ＹＡＧレーザであり、光軸１０４に沿ってレーザ光が照射される。レーザロッド１０１の端面１０１１，１０１２側から発生した基本波レーザ光は、反射鏡１０３で反射され、出力鏡１０２によって光学系の外に取り出される。その間、基本波レーザ光は、レーザロッド１０１、出力鏡１０２、反射鏡１０３で透過乃至反射され、これらの光学素子のダメージ要因となりうる。ファイバセンサ１０５は、レーザロッド１０１の両端面１０１１，１０１２に付着した堆積層からの散乱光をモニタするため、端面１０１１，１０１２の近傍に設置されている。
【００６２】
この例ではレーザロッド１０１をモニタ対象としているが、出力鏡１０２、超音波変調器（ＡＯＱ−ＳＷ素子）などをモニタ対象にしたり、複数の光学素子をモニタするように構成してもよい。なお、この例においては説明を簡略化するためにＱスイッチは図示していないが、Ｎｄ：ＹＡＧロッドを用いた光学系においては、超音波変調器（ＡＯＱ−ＳＷ素子）を用いたＱスイッチもダメージを受けやすい光学素子の一つである。
【００６３】
この例ではＮｄ：ＹＡＧロッドを用いているため、レーザ光は波長１０６４ｎｍの近赤外光で発振しており、モニタリングする散乱光も波長１０６４ｎｍのレーザ光により発生するものとなる。付着した堆積層の物質によっては、ラマン散乱のように物質の固有の振動準位分だけシフトした波長で散乱される場合もあるので、散乱光の波長はレーザ光と完全に同一な波長に限定しているわけではない。ここでファイバセンサ１０５の先端部は、付着・堆積する物質の特性により、散乱光が最も強くなる角度に固定することが望ましい。また、散乱光は、通常入射された点より点光源で発散しており、極力入射される点に近づけた方が強い散乱光を受光できるため、測定対象となる端面１０１１，１０１２との距離は機構的に許せる範囲でできるだけ近づけることが好ましい。この例で散乱光検知手段としてファイバセンサ１０５を用いた理由もここにある。
【００６４】
第１の実施形態におけるダメージ検出制御回路の一例が図２に示されている。同図において、符号１０５は図１と同様であり、１０６はコリメータレンズ、１０７は光センサ、１０８はアンプ、１２０はダメージ検出制御回路、１２１は基準電圧、１２２は加算器、１２３は減算器、１２４は加算基準電圧、１２５は減算基準電圧、１２６はダメージ検出制御器である。光センサ１０７としては、フォトダイオード等を用いることができる。なお、この例ではレーザロッド１０１としてＮｄ：ＹＡＧロッドを用いているため、光センサ１０７、アンプ１０８についても波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ光を処理するのに適した構成のものを採用している。この例では、レーザロッド１０１の両端面１０１１，１０１２の散乱光はファイバセンサ１０５ａ，１０５ｂで取り込まれ、それぞれ別々の検出系で検知するように構成されている。
【００６５】
レーザ発振器１００よりファイバセンサ１０５ａで導入された微弱な散乱光は、先ずコリメータレンズ１０６ａで平行にされ、光センサ１０７ａにて検知され、アンプ１０８ａで増幅された後にダメージ検出制御回路１２０へと送られる。
【００６６】
この例では、ダメージ検出制御回路１２０には、
１．散乱光の強度が設定値を超えた場合にアラーム信号を出すように、コンパレータで設定値と比較する回路
２．レーザロッド１０１の両端面の散乱光信号を加算して、設定値より高い場合にアラーム信号を出すようにコンパレータで設定値と比較する回路
３．レーザロッド１０１の両端面の散乱光信号を減算して、設定値より高い場合にアラーム信号を出すようにコンパレータで設定値と比較する回路
の３つが含まれている。アラーム信号を警報機や支援装置などに送ることで、モニタ対象となっている光学素子のダメージの経時変化を適切に把握し、散乱光が所定のレベルを超えた場合には即座に警告を発することができる。
【００６７】
他にも、レーザロッド１０１の一方の端面の散乱光が他方の端面の散乱光よりも２０％以上大きくなった場合にアラーム信号を出すよう制御する、などの構成も考えられる。この場合は、乗算回路の出力が＞１．２、または＜０．８となったときにアラーム信号が出るように回路を構成すればよい。
【００６８】
なお、光センサ１０７からの信号が非常に小さい場合には、レーザ光を適当な方法でパルス化してアンプ１０８の代わりにロックインアンプ（位相検波器）を用いることで、高精度の測定と制御が可能になる。ラマン散乱のように非常に小さな散乱光を捉える場合には、微弱な散乱信号を時間的に蓄積させて信号強度を上げるボックスカーインテグレータを適用することも有効な手段である。
【００６９】
次に、本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第２の実施形態が図３に示されている。同図において、１０９は集光レンズであり、その他の符号は図１，２と同様である。ここで、集光レンズ１０９としては、ファイバセンサ１０５の開口数に見合った径の集光レンズの中で、できるだけ大きなＦナンバ（＝焦点距離／入射瞳径＝１／２ＮＡ）のものを選ぶことが望ましい。
【００７０】
第２の実施形態は、第１の実施形態においてファイバセンサ１０５の入射部に集光レンズを配置したものである。図１の構成では、第１の実施例においては、微弱な散乱光を少しでも確実に受光するために、ファイバセンサ１０５をレーザロッド１０１の端面１０１１，１０１２至近に設置することが必要となるが、図３の例では集光レンズ１０９を用いることでファイバセンサ１０５自体を端面１０１１，１０１２の至近に設置した場合と同様の検出能を確保することが可能となる。これは、集光レンズ１０９を用いることで、レーザロッド１０１の端面１０１１，１０１２の光軸上から大きな立体角で発散する光を集光レンズ１０９の口径の大きさの分だけ取り込めるからであり、ファイバセンサ１０５の先端を近づけにくい小型の光学素子の場合には特に有効である。なお、第２の実施形態については、集光レンズ１０９を用いてファイバセンサ１０５に集光する点以外は第１の実施形態と同様の構成である。
【００７１】
次に、本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第３の実施形態が図４に示されている。同図において、１１０は屈折率分布型レンズあり、その他の符号は図１〜３と同様である。
【００７２】
第３の実施形態は、第２の実施形態で使用した集光レンズ１０９を屈折率分布型レンズ１１０に置き換えたものである。屈折率分布型レンズ１１０を用いてファイバセンサ１０５に集光することにより、散乱光の入射角による伝播速度の変化が抑えられ、散乱光の経時変化がより正確に捉えられ、更に、狭いスペースでも効率よくファイバセンサ１０５に散乱光を集光することが可能となる。
【００７３】
φ５ｍｍ程度の屈折率分布型レンズ１１０で、φ１ｍｍのファイバセンサ１０５に集光させることにより、φ１ｍｍのファイバセンサ１０５のみを用いた場合と比べて約２５倍の散乱光を取りむことが可能となる。加えて、屈折率分布型レンズ１１０自体のサイズが小さく測定対象となる光学素子の端面に近づけることが容易であるため、小型の発振器などに適用しやすく、集光レンズ１０９を用いた第２の実施形態よりも更に高感度の検出が可能となる。なお、第３の実施形態についても、屈折率分布型レンズ１１０を用いてファイバセンサ１０５に集光する点以外は第１の実施形態と同様である。
【００７４】
次に、本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第４の実施形態が図５に示されている。同図において、１０４ａは基本波レーザ光（波長１０６４ｎｍ）の光路、１０４ｂは第２高調波レーザ光（波長５３２ｎｍ）の光路、１１１は第２高調波用波長変換素子であり、その他の符号は図１〜４と同様である。波長変換素子としては、ＫＴＰ結晶、ＬＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶などが知られている。第２高調波レーザ光は基本波レーザ光が第２高調波用波長変換素子を透過することで基本波レーザ光の一部が変調して発生する基本となるレーザ光の１／２の波長を持つレーザ光であり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波レーザ光は波長５３２ｎｍのレーザ光である。なお、この例では、レーザ発振器１００の外に取り出すレーザ光としては波長５３２ｎｍの第２高調波レーザ光を想定しているため、反射鏡１０２には基本波レーザ光を反射するコーティング膜と、第２高調波レーザ光を透過するコーティング膜とが設けられている。また、反射鏡１０３については、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光の双方を反射するコーティング膜が設けられている。
【００７５】
なお、この第４の実施形態においてもこれまでの例と同様にレーザロッド１０１の端面１０１１，１０１２における散乱光モニタの例を挙げるが、実際にこのような構成のレーザ発振器を運用した際には、第２高調波用波長変換素子１１１の方がレーザロッド１０１よりもダメージしきい値が低く、モニタの必要性がより高い。また、内部共振器型ＳＨＧ−Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器においては、超音波Ｑスイッチ素子を用いたＱスイッチ発振を行うのが一般的であるが、この例においては説明を簡略化するためＱスイッチを含まない構成で説明を行う。
【００７６】
図５の例では、レーザロッド１０１から発生した基本波レーザ光は、出力鏡１０２と反射鏡１０３との間で光軸１０４ａに沿って共振する。一方、第２高調波レーザ光は、光軸１０４ｂに沿って反射鏡１０３で反射され、出力鏡１０２によって光学系の外に取り出される。この光学系において、基本波レーザ光及び第２高調波レーザ光は、レーザロッド１０１、出力鏡１０２、反射鏡１０３、第２高調波用波長変換素子１１１で透過乃至反射され、これらの光学素子にダメージを与えることとなる。
【００７７】
図５の例においては、レーザ発振器１００内に基本波レーザ光と第２高調波レーザ光という２つの異なる波長を有するレーザ光が存在し、この２種のレーザ光がレーザロッド１０１を透過することとなる。このためこの例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波レーザ光由来の波長１０６４ｎｍの散乱光の他に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波レーザ光由来の波長５３２ｎｍの散乱光も発生することとなる。
【００７８】
次いで、第４の実施形態におけるダメージ検出制御回路の一例が図６に示されている。同図において、１１２はダイクロイックミラーであり、その他の符号は図１〜５と同様である。ここで、ダイクロイックミラーとは、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過することでレーザ光を分光するミラーであり、この例ではダイクロイックミラー１１２によって波長５３２ｎｍの第２高調波レーザ光を選択的に反射し、その他の波長のレーザ光（波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光）を透過するよう構成されている。
【００７９】
集光レンズ１０９ａによって集光された散乱光は、ファイバセンサ１０５ａ，コリメータレンズ１０６ａを介してダイクロイックミラー１１２に導入され、波長毎に分光される。ここで、基本波レーザ光由来の波長１０６４ｎｍの散乱光はダイクロイックミラー１１２を透過して光センサ１０７ｃに投光され、アンプ１０８ｃで増幅された後にダメージ検出制御回路１２０に送られる。一方、第２高調波レーザ光由来の波長５３２ｎｍの散乱光は、ダイクロイックミラー１１２で反射されて光センサ１０７ｄに投光され、アンプ１０８ｄで増幅された後にダメージ検出制御回路１２０に送られる。
【００８０】
この例では、ダメージ検出制御回路１２０には、
１．基本波レーザ光（１０６４ｎｍ）と第２高調波レーザ光（５３２ｎｍ）のいずれか一方もしくは両方が設定値を超えた場合にアラーム信号を出すように、コンパレータで設定値と比較する回路
２．基本波レーザ光（１０６４ｎｍ）と第２高調波レーザ光（５３２ｎｍ）とを加算した値が設定値を超えた場合にアラーム信号を出すように、コンパレータで設定値と比較する回路
３．基本波レーザ光（１０６４ｎｍ）と第２高調波レーザ光（５３２ｎｍ）とを減算した値が設定値を超えた場合にアラーム信号を出すように、コンパレータで設定値と比較する回路
の３つが含まれている。アラーム信号を警報機や支援装置（図示せず）などに送ることで、モニタ対象となっている光学素子のダメージの経時変化を適切に把握し、散乱光が所定のレベルを超えた場合には即座に警告を発することができる。
【００８１】
この実施形態においても、乗算回路や各種信号の論理積、論理和などを採用してアラーム信号とすることも可能であり、受光した散乱光の特性によっては、これらの回路を採用することでより確実に光学素子のダメージを把握できる可能性もある。
【００８２】
この例では、散乱光を波長毎に分けて処理を行うことにより、散乱光の各波長毎の経時変化も観察することができ、より詳細なデータを蓄積することが可能となる。なお、ここでは端面１０１１における散乱光のモニタについて説明したが、端面１０１２側でのモニタリングも同様に行われる。
【００８３】
なお、図５ではレーザ発振器１００として第２高調波用波長変換素子１１１を有する内部共振器型ＳＨＧ−Ｎｄ：ＹＡＧレーザを採用した場合の例を説明したが、本願のダメージ検知方法は、折り返し型（Ｆｏｌｄ型）内部共振器型ＳＨＧ−Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器にも同様に適用可能である。
【００８４】
ここで、レーザ光の波長による散乱の種類の違いと、それによる検出感度の違いについて説明する。先にも述べたように光の回折・散乱は、光学素子の端面に塵やＣＶＤ層などが堆積し、それらにレーザ光が当たることで発生するものである。光の散乱は、用いる光の波長と光がぶつかる粒子の大きさの関係によって３種類の散乱に分類することができ、粒子の径が光の波長よりも遙かに小さい場合にはレイリー散乱、粒子の径が光の波長と同程度である場合にミー散乱、粒子の径が光の波長よりも大きい場合には回折散乱もしくはブルリアン散乱が発生する。
【００８５】
例えば、レーザロッドとしてＮｄ：ＹＡＧロッドを用いた場合には、基本レーザ光の波長は１．０６４μｍ（１０６４ｎｍ）である。光の波長が１μｍ程度である場合には、光学素子に付着する塵は１〜１００μｍ程度の範囲のものがほとんどであり、レーザ光の波長と塵の径との関係からミー散乱乃至ブルリアン散乱が支配的となり、全ての波長のレーザ光が反射される。とは言っても、Ｎｄ：ＹＡＧレーザは通常１．０６４μｍの単波長で発振するものであるから、そのまま約１μｍ（具体的には１．０６４μｍ）の光として散乱されるのみである。
【００８６】
一方、ミー散乱以上の波長領域では、散乱（一次回折）光の角度は９０°〜０°まで広い範囲で存在し、光学素子端面のレーザ光軸上から点光源のように発散する。このため、ミー散乱が発生する場合にはセンサの設置はモニタ対象となる光学素子端面の近辺でよく、設置場所の位置や配置に厳しい調整は不要である。
【００８７】
第４の実施形態を例にして説明すると、波長５３２ｎｍのグリーン光が含まれていることにより散乱光自体の出力が大きくなり、波長１０６４ｎｍである近赤外光のみを用いた場合と比較して数十倍の高感度で散乱光の測定を行うことができ、検出感度を高くできるという利点がある。
【００８８】
また、光学素子の端面に付着した粒子が０．１μｍ（１００ｎｍ）近く（波長の１／１０程度）で顕著になるレイリー散乱の散乱係数Ｋは波長の４乗に反比例するため、青や緑などの波長の短い光を用いた場合の方が散乱光の強度が高くなる傾向にあり、赤などの波長の長い光を用いた場合よりも、青などの波長の短い光を用いた場合の方がより多く散乱される。従って、特に５３２ｎｍの散乱光については、０．１μｍ程度の塵が付着しても、散乱光は１０６４ｎｍの１６倍大きくなり、しかもグリーン光の検出感度が約１０倍大きくなるため、合わせると約１６０倍大きな信号として捉えることができ、０．１μｍ程度の微細な付着物でも検出感知しやすくなる。
【００８９】
その結果として、第４の実施形態では、第１の実施形態と同様に集光光学系（集光レンズ１０９、屈折率分布型レンズ１１０など）を用いない構成であっても、ファイバセンサ１０５のみで高感度に散乱光を拾うことが可能となり、ダメージ検知用のシステムの小型化が容易となるものである。
【００９０】
レーザ光の波長と散乱の種類とによる散乱光発生の比率が図９に示されている。ここで、Ａ〜Ｆは各波長毎の散乱強度をセンサで測定した実測値であり、これらの数値を用いて以下のように計算することで各波長に対するφ１００ｎｍ程度のレイリー散乱領域と、φ１μｍ以上の領域の割合の相対的な比率が推定できる。Ｋの値を実験で予め求めておけば、具体的な絶対値も推定可能である。
Ｒ１Ａ／（１−Ｒ１）Ｄ＝１／０．０３Ｋ
∴Ｒ１＝（３３．３Ｄ／Ａ）／Ｋ
Ｒ２Ｂ／（１−Ｒ２）Ｅ＝１６０／０．３Ｋ
∴Ｒ２＝（３．３Ｅ／Ｂ）／Ｋ
Ｒ３Ｃ／（１−Ｒ３）Ｆ＝４０５／０．１５Ｋ
∴Ｒ３＝（６．７Ｆ／Ｃ）／Ｋ
【００９１】
次に、本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第５の実施形態が図７に示されている。同図において、１０４ｃは第３高調波レーザ光（波長３５５ｎｍ）の光軸、１１３は第３高調波用波長変換素子であり、その他の符号は図１〜６と同様である。第３高調波レーザ光は、第２高調波用波長変換素子に加えて、第３高調波用波長変換素子を光学系に加えることで基本波レーザ光と第２高調波レーザ光との和周波として発生する基本波レーザ光の１／３の波長を持つレーザ光であり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波レーザ光は波長３５５ｎｍのレーザ光である。なお、この例では、レーザ発振器１００の外に取り出すレーザ光として第３高調波レーザ光を想定しているため、反射鏡１０２には基本波レーザ光と第２高調波レーザ光を反射するコーティング膜と、第３高調波レーザ光を透過するコーティング膜とが設けられている。また、反射鏡１０３については、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光と第３高調波レーザ光の全てを反射するコーティング膜が設けられている。
【００９２】
なお、第４の実施形態の場合と同様に、第５の実施形態のレーザ発振器を実際に稼働させた場合にも、第２高調波用波長変換素子１１１や第３高調波用波長変換素子１１３の方がレーザロッド１０１よりもダメージしきい値が低く、モニタの必要性がより高い。また、内部共振器型ＴＨＧ−Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器においては、超音波Ｑスイッチ素子を用いたＱスイッチ発振を行うのが一般的であるが、この例においては説明を簡略化するためＱスイッチを含まない構成で説明を行う。
【００９３】
図７の例では、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光は、出力鏡１０２と反射鏡１０３との間で光軸１０４ａ，１０４ｂに沿って共振する。また、第３高調波レーザ光は、光軸１０４ｃに沿って反射鏡１０３で反射され、出力鏡１０２によって光学系の外に取り出される。このレーザ発振器１００において、基本波レーザ光、第２高調波レーザ光、及び第３高調波レーザ光は、レーザロッド１０１、出力鏡１０２、反射鏡１０３、第２高調波用波長変換素子１１１、第３高調波用波長変換素子１１３で透過乃至反射され、これらの光学素子にダメージを与えることとなる。特に、第２高調波用波長変換素子１１１、及び第３高調波用波長変換素子１１３はダメージを受けやすく、他の光学素子よりも傷みやすい。
【００９４】
ここで、レーザ発振器１００内には基本波レーザ光と第２高調波レーザ光と第３高調波レーザ光という３つの異なる波長を有するレーザ光が存在し、この３種のレーザ光がレーザロッド１０１を透過することとなる。このためこの例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波レーザ光由来の波長１０６４ｎｍの散乱光の他に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波レーザ光由来の波長５３２ｎｍの散乱光、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波レーザ光由来の波長３５５ｎｍの散乱光も発生することとなる。
【００９５】
次いで、第５の実施形態における分光手段の一例が図８に示されている。同図において、１０７ｃは波長１０６４ｎｍの光用の光センサ、１０７ｄは波長５３２ｎｍの光用の光センサ、１０７ｅは波長３５５ｎｍの光用の光センサ、１０８ｃは波長１０６４ｎｍの光用のアンプ、１０８ｄは波長５３２ｎｍの光用のアンプ、１０８ｅは波長３５５ｎｍの光用のアンプ、１１２ａは波長３５５ｎｍの光のみを反射するダイクロイックミラー、１１２ｂは波長５３２ｎｍの光のみを反射するダイクロイックミラーであり、その他の符号は図１〜７と同様である。ここで、ダイクロイックミラー１１２ａは波長３５５ｎｍの光を選択的に反射し、その他の波長の光（波長５３２ｎｍ、１０６４ｎｍ）は透過する。また、ダイクロイックミラー１１２ｂは波長５３２ｎｍの光を選択的に反射し、その他の波長の光（波長１０６４ｎｍ）は透過する。
【００９６】
レーザロッド１０１の端面１０１１から発生した、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍの３波長混合の散乱光は、集光レンズ１０９ａで集光されてファイバセンサ１０５ａ，コリメータレンズ１０６ａを介してダイクロイックミラー１１２ａ，１１２ｂに導入され、波長毎に分光される。ここで、波長３５５ｎｍである第３高調波由来の散乱光は、ダイクロイックミラー１１２ａで反射されて光センサ１０７ｅに投光され、アンプ１０８ｅで増幅された後にダメージ検出制御回路（図示せず）に送られる。一方、ダイクロイックミラー１１２ａを透過した散乱光はダイクロイックミラー１１２ｂで更に分光され、第２高調波レーザ光由来の波長５３２ｎｍの散乱光は、ダイクロイックミラー１１２ｂで反射されて光センサ１０７ｄに投光され、アンプ１０８ｄで増幅された後にダメージ検出制御回路に送られる。また、基本波レーザ光由来の波長１０６４ｎｍの散乱光は、ダイクロイックミラー１１２ｂを透過して光センサ１０７ｃに投光され、アンプ１０８ｃで増幅された後にダメージ検出制御回路に送られる。ダメージ検出制御回路では、加算回路、減算回路、乗算回路などによって設定値と比較され、設定値を超えた場合にはアラーム信号が出力され、警報機や支援装置など（図示せず）に送られ、警報処理などが行われる。また、散乱光を波長毎に分けて処理したことにより、散乱光の各波長毎の経時変化も観察することができ、より活用の幅が拡がるものと思われる。
【００９７】
この例では、散乱光を波長毎に分けて処理を行うことにより、散乱光の各波長毎の経時変化も観察することができ、より詳細なデータを蓄積することが可能となる。なお、ここでは端面１０１１における散乱光のモニタについて説明したが、端面１０１２側でのモニタリングも同様に行われる。
【００９８】
この例においては、第４の実施形態で用いた第２高調波レーザ光よりも更に波長の短い第３高調波レーザ光が含まれているため、小さい粒子に対する検出感度が第４の実施形態よりも更に向上する。具体的には、波長３５５ｎｍである第３高調波レーザ光を用いた場合には、レイリー散乱による散乱光は基本波レーザ光のみを用いた場合の約８１倍の散乱強度となり、また、波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光に対する検出感度も５倍程度大きくなるため、第１の実施形態と比べると約４００倍の検出感度となる。このため、第２高調波レーザ光を用いたときよりも、更に高い感度で１００ｎｍクラスの微細な塵を検知することができ、塵等の焼き付きが光学素子にとって大きなダメージとなる前に光学素子の清掃を行うなどして原因を除去できる可能性も高くなり、メンテナンス上非常に有用である。
【００９９】
また、高精度なセンサ検出感度のデータを得ることができれば、各波長の散乱信号の比を用いて光学素子表面に付着している粒子の径の比率などのデータも得ることができるため、より詳細なダメージ発生要因データとして利用できる可能性がある。これにより、単なるダメージ予防の為の警告のみではなく、付着する有機膜或いは塵、傷等の特性に応じた複数の波長の散乱光データを用いた詳細分析が可能となるものと思われる。
【０１００】
次に、本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第６の実施形態が図１０に示されている。同図において、１１４は反射ミラー、１１５は反射ミラー、１１６は外部レーザ光源であり、その他の符号は図１〜９と同様である。外部レーザ光源１１６としては、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ（波長６３２．８ｎｍ）などを用いることができるがこれに限定するものではなく、その他使用に適した様々なレーザ光源を使用可能である。例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長６３２．８ｎｍ）と同様に赤色レーザ光を発する赤色レーザダイオード（６５０ｎｍ前後）等を用いてもよい。赤色レーザダイオード光は小型で安価であるという利点を有するのみならず、パルス化が電気的にできるため使いやすいという利点もある。
【０１０１】
図１０の例では、レーザロッド１０１から発生した基本波レーザ光は、光軸１０４ａに沿って、反射鏡１０３で反射され、出力鏡１０２によってレーザ発振器１００の外に取り出される。また、レーザロッド１０１の端面１０１１，１０１２の散乱光を走査するための外部レーザ光源１１６のレーザ光は光軸１０４ｄに沿って照射され、レーザ発振器１００の外部より反射鏡１０３を透過させることでレーザ発振器１００に導入されている。
【０１０２】
ここで、検出感度を上げるための手段として、外部レーザ光源１１６からのレーザ光をチョッパなどの適当な手段を用いてパルス化して位相検波するといったことも考えられる。また、外部レーザ光源１１６からのレーザ光のビームだけを散乱光のモニタリング光として使用しても良いし、他の実施形態と同様にＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波レーザ光（１０６４ｎｍ）を用いた２波長での検知を行ってもよい。Ｈｅ−Ｎｅレーザ光は、Ｎｄ：ＹＡＧ基本波レーザ光よりも波長の短い可視光レーザ光であるため、Ｎｄ：ＹＡＧ基本波レーザ光のみを用いた場合と比較して散乱強度が上昇し、その結果として光センサの検出感度も高くなる。また、１００ｎｍ（０．１μｍ）程度の微小粒子の検知を行う場合のレイリー散乱も大きくできるという利点もある。
【０１０３】
第６実施形態の例は、溶接などに用いる大出力レーザにおいて散乱光の検出感度を上げることを目的とした提案である。大出力レーザの場合は波長変換素子などで波長変換を行ったりしないため、レーザ発振器１００で発振される第２高調波レーザ光や第３高調波レーザ光を用いて検出感度を上げるということはできない。そこで、外部レーザ光源１１６を用いて外部より波長の短いレーザ光を導入することにより、第２高調波レーザ光や第３高調波レーザ光を用いた場合と同様に、波長の短いレーザ光の使用による検出感度を常勝させることが可能となる。
【０１０４】
次に、本願のダメージ検知方法を適用した固体レーザ発振器の第７の実施形態が図１１に示されている。同図において、１１７は反射ミラー、１１８は外部レーザ光源であり、その他の符号は図１〜１０と同様である。この例では、外部レーザ光源１１８としてＨｅ−Ｎｅレーザ（波長５４３．５ｎｍ）などを用いた場合の例を説明するが、黄色のＨｅ−Ｎｅレーザ光（波長５９４．１ｎｍ）、橙色のＨｅ−Ｎｅレーザ光（波長６１１．９ｎｍ）などを用いても良い。
【０１０５】
この例では、レーザロッド１０１から発生した基本波レーザ光は、光軸１０４ａに沿って、反射鏡１０３で反射され、出力鏡１０２によってレーザ発振器１００の外に取り出される。また、レーザロッド１０１の端面１０１１，１０１２の散乱光を走査するための外部レーザ光源１１６，１１８のレーザ光は、それぞれ光軸１０４ｄ，１０４ｅに沿って照射され、レーザ発振器１００の外部より反射鏡１０３を透過させることでレーザ発振器１００に導入されている。
【０１０６】
第７の実施形態では、赤色Ｈｅ−Ｎｅレーザ光（６３２．８ｎｍ）を発生させる外部レーザ光源１１６に加えて、緑色Ｈｅ−Ｎｅレーザ光（５４３．５ｎｍ）を発生させる外部レーザ光源１１８を追加し、外部から２波長の走査光を導入する構成となっている。第４の実施形態において波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ第２高調波レーザ光を用いた場合の例を挙げ、グリーン光を使用することの利点についても述べたが、波長変換素子により短波長のレーザ光を得る以外に、この例のように外部からグリーン光を導入してグリーン光由来の散乱光による検出を行うように構成してもよい。
【０１０７】
このように、異なる波長を有する走査レーザ光を共振器外部から導入することにより、内部共振型の波長変換レーザでない場合でも、可視光、紫外光領域のレーザ光を用いた検出感度の高いモニタリングが容易に行える。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
以上述べたように、本願発明によれば、ダメージ検知対象となる光学素子から発生する散乱光をモニタリングすることで、対象となる光学素子のダメージの度合いを把握することが可能となる。なお、本願によれば、光学素子端面のコーティング膜上の堆積物に起因する散乱光のみならず、光学素子内に生じた微細な傷や泡等に起因する散乱光もモニタすることができる。
【０１０９】
加えて、散乱光を集光するための集光手段を用いれば、光学素子の至近に設置するのは集光手段のみでよく、散乱光の検知を行うためのセンサ等は固体レーザ発振器からある程度距離を離して設置することが可能となる。このため、小型のレーザ発振器にも適用しやすくなり、また、散乱光を集光した上で散乱光の検知が行われるため、検知できる散乱光が多くなり、散乱光の検出感度も上昇する。
【０１１０】
また、本願発明を内部波長変換方式の固体レーザ発振器に適用すれば、散乱光を分光して波長毎に設定値との比較を行うことにより、様々な角度から検知対象となる光学素子のダメージの度合いを推し量ることが可能となる。加えて、第２高調波レーザ光、第３高調波レーザ光等の波長の短いレーザ光が固体レーザ発振器に導入されることにより、基本波レーザ光のみを用いた場合よりも、散乱光の検出精度が向上するものである。
【０１１１】
また、本願発明を外部レーザ光源を用いて波長の短いレーザ光を導入する固体レーザ発振器に適用すれば、高出力用レーザ発振器などの波長変換素子を含まない固体レーザ発振器であっても、波長変換素子で高調波を導入した場合と同様に散乱光の検出精度を向上させることが可能となる。
【０１１２】
従って、本願発明に係る光学素子のダメージ検知方法、もしくは光学素子のダメージ検知装置、もしくは光学素子のダメージ検知機能を有する固体レーザ発振器を採用することで、光学素子のダメージが軽微なうちでも検知することが可能となり、光学素子に重度のダメージが生じる前に付着物の拭き取りなどの処置を行うことができ、光学素子の破損による予定外のライン停止などが起こりにくくなる。
【０１１３】
加えて、光学素子に生じたダメージの度合いを高精度に把握できるため、そのダメージが現時点では特に対処する必要がなく、次の定期点検まで対処せずとも特に問題のない程度の軽微なものであるか、すぐに対処する必要がある重度のダメージであるかということも把握することが可能となる。
【０１１４】
また、光学素子に生じるダメージを常に把握できるため、場合によっては定期点検等を廃止して、散乱光の値が所定の設定値を超えた場合のみにメンテナンスを行う、というような適用も考えられる。
【符号の説明】
【０１１５】
１１  （光学素子の）基板
１２  コーティング膜
１３  レーザ光
１４  粉塵層
１５  粉塵（ダスト）
１６  ＣＶＤ層
１７  有機ガス分子
１８  堆積層（軽度）
１９  堆積層（重度）
２０  （コーティング膜の）破壊箇所
１００  レーザ発振器
１０１  レーザロッド
１０１１  レーザロッド１０１の端面
１０１２  レーザロッド１０１の端面
１０２  出力鏡
１０３  全反射鏡
１０４  光軸
１０４ａ  基本波レーザ光（波長１０６４ｎｍ）の光軸
１０４ｂ  第２高調波レーザ光（波長５３２ｎｍ）の光軸
１０４ｃ  第３高調波レーザ光（波長３５５ｎｍ）の光軸
１０４ｄ  赤色Ｈｅ−Ｎｅレーザ光（波長６３２．８ｎｍ）の光軸
１０４ｅ  緑色Ｈｅ−Ｎｅレーザ光（波長５４３．５ｎｍ）の光軸
１０５  ファイバセンサ
１０６  コリメータレンズ
１０７  光センサ
１０８  アンプ
１０９  集光レンズ
１１０  屈折率分布型レンズ
１１１  第２高調波用波長変換素子
１１２  ダイクロイックミラー
１１３  第３高調波用波長変換素子
１１４  反射ミラー
１１５  反射ミラー
１１６  外部レーザ光源
１１７  反射ミラー
１１８  外部レーザ光源
１２０  ダメージ検出制御回路
１２１  基準電圧
１２２  加算器
１２３  減算器
１２４  加算基準電圧
１２５  減算基準電圧
１２６  ダメージ検出制御器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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